Die Bundesregierung hat das Ziel, den CO2-Ausstoß bis zum Jahr 2020 um 20 bis 30% zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Entwicklung und Einführung erneuerbarer Energieerzeugung durch Maßnahmen auf der Seite der Energieverbraucher flankiert werden.
Die Kältetechnik ist in besonderer Weise betroffen, da das CO2-Äquivalent einiger Kältemittel zusätzlich zum Primärenergieverbrauch beim Betrieb der Kälteanlage als direktes Treibhauspotenzial zu Buche schlägt. Beide CO2-Anteile sind beeinflussbar, einerseits durch die Wahl des Kältemittels, andererseits durch die Anlagentechnik zur Kälteerzeugung.
Die Kältetechnik ist in Deutschland zu etwa 6% am Primärenergieverbrauch beteiligt. Damit kommt der Senkung des Primärenergieverbrauchs eine besondere Bedeutung zu. Die Thematik wurde für den Volllastbetrieb auch im Vergleich zur CO2-NH3-Kaskadenanlage mehrfach behandelt [1], [2], [3].
Der Beitrag bezieht sich auf Anwendungen der Industriekälte mit dem Kältemittel Ammoniak, obwohl die Aussagen nicht nur darauf beschränkt sein sollen. Ferner ist es ein Appell an die Anlagenbauer, ihren Beitrag zur Reduzierung des Treibhauspotenzials durch Effizienzverbesserung zu leisten, indem die richtige technische Lösung gewählt wird.
Industriekältetechnik
In Kälteanlagen für industrielle Anwendungen wird größtenteils das Kältemittel Ammoniak eingesetzt, dessen CO2-Äquivalent gleich Null ist ein positiver Umweltaspekt. Maßnahmen zur Senkung des Treibhauseffektes können sich damit ausschließlich auf den Energieverbrauch der Kälteanlage konzentrieren.
Betrachtet werden große Kälteanlagen mit Verdampfungstemperaturen unterhalb von 35°C, die entweder einstufig mit Economiser (Variante (1)) oder zweistufig (Variante (2), vgl. Bild 1) ausgeführt werden und in Kühlhäusern, in der Nahrungsmittelindustrie oder zur Prozesskühlung eingesetzt werden.
Beide Varianten werden bei Volllast- und Teillastbetrieb untersucht und ökologisch bewertet. Bewertungskriterium ist der COP, das Verhältnis aus Kälteleistung und Antriebsleistung, der den Nutzeffekt eingesetzter Antriebsleistung ausdrückt.
Über den COP-Wert werden in diesem Beitrag Energieverbrauchssenkung und Umweltentlastung ausgedrückt. Alle Angaben gelten für den Betriebspunkt to/tc=40°C / +35°C und das Kältemittel Ammoniak.
Stückzahlen der Grasso GmbH im Jahr 2006 zeigen, dass von den ausgelieferten Ammoniak-Schraubenverdichteraggregaten nur 23% in Variante (2), aber 77% in Variante (1) ausgeführt wurden.
Variante (1), einstufige Verdichtung kombiniert mit Economiser-Kopplung
Volllastbetrieb: Kennzeichen von Variante (1) sind einstufige Verdichtung und zweistufige Entspannung zuerst vom Kondensationsdruck in einen Zwischendruckbehälter und danach vom Zwischendruckbehälter auf den Verdampfungsdruck. Bei Volllastbetrieb wird der zuerst entstehende Flash-Dampf bei einem Zwischendruck in bereits geschlossene Zahnlückenräume der Rotoren gedrückt. Das ist die Economiser-Kopplung. Die einstufige Verdichtung lässt sich dabei in einer Abstraktion in zwei Abschnitte unterteilen, einen ersten ND-Abschnitt vor dem Economiseranschluss, in dem das angesaugte Fluid aus dem Verdampfer der Kälteanlage vorverdichtet wird, und in einen zweiten HD-Abschnitt nach der Flash-Dampf-Einspeisung, in dem das verdichtete Fluid und der Flash-Dampf gemeinsam bis zum Kondensationsdruck verdichtet werden (s. auch Bild 16).
Das Flash-Dampfvolumen sinkt mit steigendem Zwischendruck, die Schluckfähigkeit an der Economiseröffnung des Verdichters steigt mit zunehmendem Zwischendruck.
Die maximale Kälteleistung wird erreicht, wenn Schluckfähigkeit und Flash-Dampfvolumen beim Bilanzzwischendruck pa=pz=f(ta=tz) übereinstimmen (Bild 2).
Die Schluckfähigkeit an der Economiseröffnung ist verdichterabhängig. Zwei grundsätzliche Anordnungsvarianten der Economiseröffnung am Verdichter werden betrachtet (s. Bild 3):
- Anordnung im Gehäuse (fix), Fall A
- Anordnung im Regelschieber (beweglich), Fall B
Im Fall A beginnt der Aufladevorgang mit Verdichtungsbeginn bei maximalem Zahnlückenvolumen. Der Verdichter hat an der Economiseröffnung die größtmögliche Schluckfähigkeit (Bild 4).
Die Anordnung gemäß Fall B erscheint zunächst sinnvoll, da diese Anordnung eine Economiser-Kopplung auch bei Teillastbetrieb erlaubt. Da die Economiseröffnung im Regelschieber angeordnet ist, verschiebt sie sich mit dem Regelschieber. Der Aufladevorgang kann jedoch erst beginnen, nachdem die nachlaufende Zahnflanke einer betrachteten Zahnlücke, in die der Flash-Dampf einströmen soll, die saugseitige Kante des Regelschiebers passiert hat, so dass diese Zahnlücke in Bezug auf die Economiseröffnung wieder geschlossen ist (s. Bild 5). Dadurch hat der Verdichter in diesem Fall eine kleinere Schluckfähigkeit und damit einen größeren Bilanzzwischendruck (s. Bild 6).
Teillastbetrieb: Für den Teillastbetrieb werden die Schieberregelung, Drehzahlregelung und die Economiser-Zwischendruckregelung betrachtet.
Schieberregelung
Das Prinzip der Schieberregelung zeigt Bild 7. Der Förderstrom lässt sich stufenlos verändern. Infolge der axialen Verschiebung des Regelschiebers wird ein Teil der die Rotoren umfassenden Gehäusewand geöffnet. Das eingeschlossene Arbeitsmedium kann der geometrischen Volumenverkleinerung ausweichen, bis die nachlaufende Zahnflanke einer betrachteten Zahnlücke die freigegebene Lücke passiert hat.
Wie in Bild 8 ersichtlich nimmt die Effizienz des Schraubenverdichters mit größer werdendem Druckverhältnis ab. Bei 50% Kälteleistung und to/tc=40°C/+35°C (entspricht p/po=18,8) werden etwa 75% Antriebsleistung fällig.
Dieser eher ungünstigen Betriebscharakteristik wird bei Teillastbetrieb der Economisereffekt überlagert, wenn die Economiseröffnung im Regelschieber angeordnet ist (Variante B). Die Anordnung der Economiseröffnung gemäß Fall A realisiert bei Teillast gar keinen Economisereffekt, da der Flash-Dampf auf Saugdruck entspannt wird.
Die Anordnung der Economiseröffnung gemäß B ist aufgrund der Lage der Economiseröffnung im Regelschieber nur in einem kleinen Teillastsegment zwischen 75% und 100% Kälteleistung vorteilhafter als Fall A. Bei noch kleineren Kälteleistungen führt der Economisereffekt (bei gleicher Schieberstellung größere Kälteleistung) dazu, dass der Regelschieber noch weiter in das Teillastgebiet geschoben werden muss als ohne Economiser-Kopplung, so dass die Teillastkurve der Schieberregelung (Bild 8) dominiert. Durch die Überlagerung der ungünstigen Teillastcharakteristik beim Druckverhältnis 18,8 kann der Vorteil der Economiser-Kopplung mit Anordnung der Economiseröffnung gemäß Fall B nicht ausgeglichen werden (s. Bild 11).
Die Möglichkeit der Economiser-Kopplung ist im unteren Teillastbereich durch das gleichzeitige Öffnen der Economiseröffnung und des Auslasses begrenzt (s. Bild 10). Aus diesem Grunde wird Variante B in großen Schraubenverdichtern nicht verwendet. Sie wurde hier nur der Vollständigkeit halber untersucht.
Drehzahlregelung
Drehzahlregelung ist eine Alternative zur Schieberregelung. Häufig wird sie mit der Schieberregelung kombiniert, so z.B. Drehzahlregelung von 15003600 min-¹ und unterhalb von 1500 min-¹ Schieberregelung (s. Bild 11, Kurve: 1-St. Eco, FU).
Drehzahlregelung benötigt einen Frequenzumformer (FU). Der damit verbundene Verlust bei der Frequenzumwandlung wird hier nicht berücksichtigt. Auch die Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades um etwa 1% bei Volllastbetrieb bleibt unberücksichtigt, so dass sich die getroffenen Aussagen allein auf den Verdichter beziehen.
Bei Teillastbetrieb ist die Drehzahlregelung für Variante (1) aus Sicht der Energieeffizienz die beste Lösung. Obwohl der Economisereffekt bei Drehzahlregelung erhalten bleibt, nimmt der COP bei niedrigeren Drehzahlen ab, da die Spaltverluste in Bezug auf den kleineren Ansaugvolumenstrom dominieren.
Zwischendruckregelung
Bei Zwischendruckregelung wird der Druck im Zwischendruckbehälter ausgehend vom Bilanzzwischendruck zwecks Verkleinerung der Kälteleistung vergrößert. Dazu wird am Regelventil Vz zwischen dem Ausgang des Zwischendruckbehälters und dem Economiser-Anschluss des Verdichters gedrosselt. Der Regelschieber bleibt in Volllastposition. Durch Vergrößern oder Verkleinern der Ventilöffnung ändert sich die Kälteleistung, wie den Bildern 12 und 13 zu entnehmen ist.
Die Zwischendruckregelung wird für einen Schraubenverdichter mit Economiser-Anschluss (Anordnung, Fall A) ausgeführt.
Aufgrund der enorm großen Verdampfungswärme von Ammoniak (Bild 14) lässt sich die Kälteleistung durch diese Regelungsart nur in einem sehr kleinen Kälteleistungsbereich zwischen etwa 85% und 100% ändern (s. Bild 15). Für Fluorkohlenwasserstoffe, z.B. R507, ist der Regelbereich deutlich größer.
Variante (2), zweistufige Verdichtung mit Zwischendruckbehälter
Das Kondensat wird wie in Variante (1) zweistufig entspannt, in einer ersten Stufe vom Kondensationsdruck in einen Zwischendruckbehälter und in einer zweiten Stufe vom Zwischendruckbehälter auf den Verdampfungsdruck. Flash-Dampf der ersten Entspannungsstufe wird bei Zwischendruck nach ND eingespeist.
In Variante (2) werden die Teilabschnitte der Verdichtung von Variante (1) durch zwei Einzelverdichter, einen Niederdruckverdichter (ND) und einen Hochdruckverdichter (HD), die hintereinander ohne Zwischenkühlung angeordnet sind, ersetzt (Bild 16). Der HD-Verdichter wird mit einer Ansaugüberhitzung von etwa 50K betrieben.
Der ölüberflutete Schraubenverdichter erlaubt aufgrund der intensiven Kühlung des Verdichtungsvorgangs durch Öleinspritzung in den Arbeitsraum diese Betriebsweise des HD-Verdichters mit großer Ansaugüberhitzung, ohne die zulässige Endtemperatur von 90°C auf der Druckseite zu überschreiten.
Die Kälteprozesse der beiden Varianten (1) und (2), dargestellt im lg p,h-Diagramm (Bild 16), unterscheiden sich nicht. Dennoch unterscheiden sich beide Varianten hinsichtlich der Effizienz deutlich. Der COP von Variante (2) ist bei Volllastbetrieb um etwa 20% höher als bei einstufiger Verdichtung mit Economiser-Kopplung (to/tc=40°C/35°C).
Ein Vergleich der Variante (2) mit einer klassischen zweistufigen Kälteanlage, bei der das Druckgas nach dem ND-Verdichter auf Sattdampfzustand zurückgekühlt wird, zeigt, dass Variante (2) den gleichen COP erreicht. Darauf soll hier nicht weiter eingegangen werden, da die klassische zweistufige Anlage zwei vollständige Schraubenverdichteraggregate benötigt und damit deutlich höhere Anschaffungskosten impliziert.
Volllastbetrieb: Der Bilanzzwischendruck ist anders als in Variante (1) die Folge der Verdichterauswahl für den HD. Ein größerer HD senkt den Bilanzzwischendruck, ein kleinerer erhöht ihn. Die HD-Verdichterwahl zielt auf maximalen COP bei Volllast.
Teillastbetrieb: Bei Teillastbetrieb werden Verdampfungsdruck und Volllast-Bilanzzwischendruck durch Förderstromänderung der beiden Verdichter separat geregelt.
Schieberregelung
Beide Verdichter (s. Seite 26), ND und HD, haben Schieberregelung.
Die Antriebsleistung im Teillastgebiet unterscheidet sich aufgrund der kleineren Druckverhältnisse von etwa 4,4 beim ND und HD deutlich von der einstufigen Verdichtung (vgl. Bild 8 und Bild 17). Bei 40% Kälteleistung werden für ND und HD jeweils 55% der Antriebsleistung benötigt, so dass die zweistufige Kälteanlage auch in einem weiten Teillastbereich gegenüber einstufiger Verdichtung mit Economiser-Kopplung Effizienzvorteile bietet.
Drehzahlregelung
Beide Verdichter, ND und HD, haben in diesem Beispiel Drehzahlregelung im Bereich von 1500 bis 3000min-¹. Im unteren Drehzahlbereich wird die Kälteleistung bei konstanter Drehzahl von 1500min-¹ schiebergeregelt. Diese Kombination erlaubt übrigens auch einen entlasteten Anlauf der Schraubenverdichter. Dazu wird der Regelschieber vor dem Start des Verdichters in seine Minimum-Position geschoben.
Die Antriebsleistung reduziert sich bei Teillastbetrieb (s. Bild 18) gegenüber der Schieberregelung bei Drehzahl 2940min-¹. Die COP-Charakteristika für beide Teillast-Regelungsarten sind in Bild 19 dargestellt.
Die Entscheidung für die eine oder andere Regelungsart sollte in Abhängigkeit von den Teillastanforderungen getroffen werden. Auch die Kombination mit einer Drehzahlregelung des ND und Schieberregelung des HD ist möglich. Diese Varianten wurden hier nicht weiter untersucht.
Vergleich der Varianten (1) und (2) bei Volllast- und Teillastbetrieb
Der Variantenvergleich bezieht sich auf Industriekälteanlagen mit Ammoniak für eine Verdampfungstemperatur von 40°C und eine Kondensationstemperatur von +35°C.
Der Vergleich der Varianten (1) und (2) zeigt ein Umweltentlastungspotenzial sowohl bei Volllast- als auch bei Teillastbetrieb auf, wenn die einstufige Verdichtung mit Economiser-Kopplung durch die zweistufige Verdichtung mit zweistufiger Entspannung des Kältemittels ersetzt wird (s. Bild 20).
Die Effizienz, ausgedrückt durch den COP, für Variante (1) unterscheidet sich im Teillastgebiet nur marginal, ausgenommen die Drehzahlregelung, die den positiven Effekt der Economiser-Kopplung realisiert. Zwischendruck- oder Schieberregelung, unterscheiden sich weder bei Volllast- noch bei Teillastbetrieb in Bezug auf den COP für Variante (1).
Die zweistufige Kälteanlage (Variante (2)) bietet bei Teillastbetrieb gegenüber der einstufigen Kälteanlage mit Economiser ein Umweltentlastungspotenzial von bis zu 50%. Der Teillastwirkungsgrad der zweistufigen Schraubenverdichteraggregate ist trotz Schieberregelung zwischen 30% Kälteleistung und Volllast höher als der eines einstufigen Schraubenverdichteraggregates mit Economiser-Kopplung und Drehzahlregelung.
Vergleich für eine Kälteanlage mit 1000kW Kälteleistung
Volllastbetrieb, Kältemittel Ammoniak, to=40°C/tc=+35°C, Antriebsleistung:
- Variante (1) Einstufig mit Economiser-Kopplung: 662kW 121%
- Variante (2) Zweistufig mit Zwischendruckflasche: 546kW 100%
Einige Zahlen für Volllastbetrieb
Grasso ist Hersteller von Schraubenverdichteraggregaten in beiden Ausführungen und liefert auf Kundenwunsch die eine oder andere Variante. Im Jahr 2006 wurden 23% der Schraubenverdichteraggregate für Verdampfungstemperaturen unterhalb von 35°C gemäß Variante (2) für Industrieanwendungen konkurrierend zu Variante (1) geliefert.
Beispielhaft brauchen 4 große Tiefkühllager mit einer Gesamt- Kälteleistung von 14000kW, die bei einer Verdampfungstemperatur von 40°C gegen eine Kondensationstemperatur von +35°C betrieben werden, Schraubenverdichter mit einem Gesamt-Saugvolumen von 73000m³/h. Die rechnerische Gesamt-Antriebsleistung dafür beträgt ca. 7,8MW.
Wären diese Tiefkühllager mit einer Anlagenkonfiguration gemäß Variante (1) ausgeführt worden, wäre eine Antriebsleistung von 9,6MW erforderlich. Die Tabelle zeigt die Auswirkungen auf Betriebskosteneinsparung und Umweltentlastung durch den Einsatz zweistufiger Aggregate für diese 4 Kühllager. Dies ist jedoch nur ein Teil der ausgelieferten Schraubenverdichteraggregate für ähnliche Anwendungen unterhalb von 35°C Verdampfungstemperatur.
Hätten sich einmalig in einem Jahr alle Kunden der Grasso GmbH in diesem Anwendungsbereich für Variante (2) entschieden, würde die Umwelt pro Jahr um 20000t CO2-Emissionen entlastet (Volllastbetrieb). Bei laufzeitbewerteten kombiniertem Teillast-Volllast-Betriebsprofil kann das Umweltentlastungspotenzial auch größer sein.
Fazit
Kälteanlagen in der Industriekälte (to<35°C) werden einstufig mit Economiser-Kopplung oder zweistufig ausgeführt. Die Wirtschaftlichkeit beider Varianten unterscheidet sich deutlich. Der Volllast-COP liegt bei einstufiger Verdichtung mit Economiser-Kopplung 20% unter dem COP der zweistufigen Verdichtung. Der Effizienzgewinn durch Economiser-Kopplung verschwindet bei Teillastbetrieb unterhalb von 85% Kälteleistung völlig, wenn Schraubenverdichter mit Schieberregelung eingesetzt werden.
Der Teillastwirkungsgrad zweistufiger Schraubenverdichteraggregate ist trotz Schieberregelung zwischen 30% Kälteleistung und Volllast höher als der eines einstufigen Schraubenverdichteraggregates mit Economiser-Kopplung und Drehzahlregelung. Eine Verbesserung des Teillast-COP durch Drehzahlregelung ist auch für zweistufige Schraubenverdichteraggregate möglich.
Aus Sicht der Umweltentlastung darf es ein weiter so nicht geben. Die Technik zur Reduktion der CO2-Emissionen ist verfügbar. Zweistufige Schraubenverdichteraggregate bieten die Voraussetzung für verminderte CO2-Emissionen. Die umweltfreundliche Variante ist auch die Variante mit den kleinsten laufenden Betriebskosten.-
Literatur:
[1] P. Kolberg: NH3-Chiller für die Erzeugung von Kaltsole; DKV-Tagung 1994, Bonn
[2] P. Kolberg: NH3-Chiller für die Erzeugung von Kaltsole; KI 02/1995
[3] F. Müller u.a.: Anwendung natürlicher Kältemittel im Verdampfungstemperaturbereich 54°C bis 35°C; DKV-Tagung 2006, Dresden
Dr. Dieter Mosemann,
Leiter F&E Schraubenverdichter, Grasso GmbH Refrigeration Technology, Berlin
Dr. Dmytro Zaytsev,
Entwicklungsingenieur Schraubenverdichter, Grasso GmbH Refrigeration Technology, Berlin
Dr.-Ing. Ole Fredrich,
Produktmanager Schraubenverdichter, Grasso GmbH Refrigeration Technology, Berlin
